Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tổng hợp hệ thống tự động ổn định trên khoang tên lửa sử dụng kết hợp phương pháp điều khiển khí động và động cơ phản lực xung mô men

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:126

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án nhằm giải quyết một trong những vấn đề cấp thiết đặt ra đối với loại TLPK tự dẫn thế hệ mới được trang bị thêm hệ thống tạo lực và mô men điều khiển bằng động cơ phản lực. Đó là bài toán tổng hợp hệ tự động ổn định trên khoang (ASS) của tên lửa điều khiển kết hợp giữa cánh lái khí động và động cơ phản lực.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tổng hợp hệ thống tự động ổn định trên khoang tên lửa sử dụng kết hợp phương pháp điều khiển khí động và động cơ phản lực xung mô men

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ CAO HỮU TÌNH TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH TRÊN KHOANG TÊN LỬA SỬ DỤNG KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN KHÍ ĐỘNG VÀ ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC XUNG MÔ MEN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ CAO HỮU TÌNH TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH TRÊN KHOANG TÊN LỬA SỬ DỤNG KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN KHÍ ĐỘNG VÀ ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC XUNG MÔ MEN Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 62 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TSKH NGUYỄN CÔNG ĐỊNH 2. PGS.TS VŨ HỎA TIỄN HÀ NỘI – NĂM 2015
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả Cao Hữu Tình
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn khoa học, GS.TSKH Nguyễn Công Định và PGS.TS Vũ Hỏa Tiễn, đã định hướng, kiểm tra kết quả nghiên cứu, giúp đỡ và khuyến khích tôi hoàn thành luận án. Tôi cũng xin cảm ơn các nhà khoa học và tập thể cán bộ giáo viên Bộ môn Tên lửa / Khoa Kỹ thuật điều khiển đã quan tâm đóng góp ý kiến giúp tôi hoàn thiện nội dung nghiên cứu. Tôi chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Viện Công nghệ mô phỏng / Học viện Kỹ thuật quân sự đã chia sẻ công việc giúp tôi có thời gian tập trung thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã luôn động viên khuyến khích giúp tôi có thêm nghị lực để hoàn thành nội dung luận án.
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ......................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................... viii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH TRÊN KHOANG TÊN LỬA ĐIỀU KHIỂN KẾT HỢP ................. 10 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu của nước ngoài ..................................... 10 1.1.1. Các phương pháp tổng hợp phi tuyến hệ tự động ổn định trên khoang tên lửa ............................................................................................ 10 1.1.2. Tính rời rạc của thiết bị động cơ phản lực xung trong hệ tự động ổn định trên khoang ......................................................................................... 15 1.1.3. Hệ tự động ổn định trên khoang tên lửa với phương pháp tạo lực – mô men kết hợp .......................................................................................... 16 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................ 18 1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu ............................................................................ 20 1.4. Kết luận chương ..................................................................................... 21 Chương 2 TỔNG HỢP HỆ TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH TRÊN KHOANG TÊN LỬA ĐIỀU KHIỂN BẰNG CÁNH LÁI KHÍ ĐỘNG VÀ ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC DẠNG XUNG......................................................................................... 22 2.1. Một số phương pháp tạo lực và mô men điều khiển tên lửa .................... 22 2.2. Mô hình động lực học của tên lửa với phương pháp tạo lực điều khiển kết hợp khí động và động cơ phản lực xung mô men ..................................... 24 2.2.1. Lực và mô men tạo bởi cánh lái khí động.......................................... 25 2.2.2. Lực và mô men tạo bởi thiết bị động cơ phản lực xung ..................... 26
iv 2.2.3. Mô hình động lực học tên lửa sử dụng kết hợp cánh lái khí động và động cơ phản lực ........................................................................................ 27 2.3. Chức năng của hệ tự động ổn định trên khoang tên lửa ........................... 28 2.4. Cấu trúc của hệ tự động ổn định trên khoang tên lửa .............................. 30 2.4.1. Hệ tự động ổn định trên khoang tên lửa với phương pháp tạo lực – mô men khí động ........................................................................................ 30 2.4.2. Hệ tự động ổn định trên khoang tên lửa với phương pháp tạo lực – mô men phản lực dạng xung ....................................................................... 32 2.5. Tổng hợp bộ điều khiển gain – scheduling cho hệ ASS của tên lửa theo phương pháp biểu đồ hệ số ............................................................................ 33 2.5.1. Phương pháp biểu đồ hệ số và nguyên lý điều khiển gain - scheduling .................................................................................................. 33 2.5.2. Tổng hợp bộ điều khiển CDM cho hệ ASS của tên cánh lái khí động 37 2.5.3. Tổng hợp bộ điều khiển CDM gain-scheduling cho hệ ASS của tên lửa điều khiển bằng động cơ phản lực dạng xung ....................................... 42 2.6. Kết luận chương ..................................................................................... 46 Chương 3 TỔNG HỢP HỆ TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH TRÊN KHOANG TÊN LỬA ĐIỀU KHIỂN KẾT HỢP ........................................................................ 47 3.1. Giới thiệu ................................................................................................ 47 3.2. Tổng hợp bộ điều khiển mờ Takagi-Sugeno cho hệ tự động ổn định trên khoang tên lửa điều khiển kết hợp ................................................................. 49 3.2.1. Điều khiển mờ Takagi-Sugeno .......................................................... 49 3.2.2. Xây dựng mô hình mờ Takagi-Sugeno cho mô hình phi tuyến của tên lửa ......................................................................................................... 51 3.2.3. Tổng hợp bộ điều khiển mờ kết hợp .................................................. 54 3.3. Khảo sát, đánh giá chất lượng hệ ASS của tên lửa điều khiển kết hợp dùng bộ điều khiển CDM-fuzzy..................................................................... 62
v 3.3.1. Mô hình và tham số tên lửa ............................................................... 62 3.3.2. Thiết lập mô hình khảo sát hệ ASS trên máy tính.............................. 64 3.3.3. Khảo sát và đánh giá chất lượng hệ ASS với bộ điều khiển CDM- fuzzy ......................................................................................................... 66 3.4. Hoàn thiện thuật toán kích hoạt thiết bị động cơ phản lực xung .............. 72 3.5. Kết luận chương ..................................................................................... 79 Chương 4 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA TÊN LỬA PHÒNG KHÔNG SỬ DỤNG HỆ TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH TRÊN KHOANG KẾT HỢP ......................... 80 4.1. Mô hình toán học xác định hiệu quả tiêu diệt mục tiêu của tên lửa phòng không .................................................................................................. 80 4.2. Một số dạng cơ động điển hình của mục tiêu .......................................... 83 4.2.1. Phương trình chuyển động của mục tiêu ........................................... 83 4.2.2. Các dạng cơ động của mục tiêu ......................................................... 85 4.3. Cấu trúc động học vòng điều khiển tự dẫn với phương pháp dẫn tỷ lệ .... 86 4.4. Đánh giá hiệu quả của tên lửa sử dụng hệ tự động ổn định trên khoang kết hợp........................................................................................................... 89 4.4.1. Mô hình và điều kiện khảo sát........................................................... 89 4.4.2. Kết quả đánh giá độ trượt tức thời ..................................................... 91 4.4.3. Đánh giá hiệu quả tiêu diệt mục tiêu ................................................. 94 4.5. Kết luận chương ..................................................................................... 97 KẾT LUẬN CHUNG ....................................................................................... 98 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................... 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 104
vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Chữ viết tắt: ASS Tự động ổn định trên khoang CDM Phương pháp biểu đồ hệ số (Coefficient Diagram Method) ĐCPLX Động cơ phản lực xung LMI Bất phương trình ma trận tuyến tính (Linear Matrix Inequality) TLPK Tên lửa phòng không T-S Takagi-Sugeno 2. Ký hiệu: Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa W m/s2 Gia tốc pháp tuyến tên lửa 2 Wmt m/s Gia tốc pháp tuyến mục tiêu V m/s Vận tốc tên lửa Vmt m/s Vận tốc mục tiêu Vtc m/s Vận tốc tiếp cận tên lửa – mục tiêu H m Độ cao bay của tên lửa  Z1 rad/s Vận tốc góc gật của tên lửa ωmt rad/s Tần số cơ động của mục tiêu α rad Góc tấn công của tên lửa θ rad Góc nghiêng quỹ đạo của tên lửa D m Cự ly tên lửa – mục tiêu n Số lượng ĐCPLX 1 s Thời gian làm việc trung bình của một ĐCPLX dk s Chu kỳ điều khiển của thiết bị ĐCPLX РIM N Lực đẩy của một ĐCPLX
vii P N Lực đẩy động cơ hành trình I Z1 kgm2 Mô men quán tính tên lửa m kg Khối lượng tên lửa xF , x F  , Tọa độ tâm áp, tâm áp cánh lái, tâm khối thiết bị m xGD ĐCPLX so với trọng tâm tên lửa Tọa độ miệng loa phụt, đáy buồng đốt động cơ xL1, xL2 m hành trình so với trọng tâm tên lửa S m2 Diện tích miden của tên lửa q kg/ms2 Áp lực tốc độ mc kg/s Tốc độ tiêu hao khối lượng nhiên liệu  m Z1Z1 1/rad Đạo hàm hệ số mô men cản theo góc gật Cy 1/rad Đạo hàm hệ số lực nâng theo góc tấn công Đạo hàm hệ số lực nâng theo góc quay cánh lái độ Cy 1/rad cao  y rad Góc quay cánh lái độ cao Pyi N Lực đẩy gaz động tạo bởi một ĐCPLX thứ "i" g Tín hiệu điều khiển thiết bị ĐCPLX a  Tín hiệu điều khiển cánh lái khí động  rad Góc quay đường ngắm h m Sai số trung bình bình phương của độ trượt h m Độ trượt tức thời của tên lửa R0 m Bán kính sát thương của phần chiến đấu mcd kg Khối lượng của phần chiến đấu   . Phép biến đổi z E[.] Phép làm tròn số thập phân
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Tên hình vẽ, đồ thị Trang 1 Hình 1.1: Các phương pháp tổng hợp điều khiển phi tuyến hệ 12 ASS của tên lửa 2 Hình 2.1: Tên lửa PAC-3 trong hệ thống phòng không Patriot 23 3 Hình 2.2: Mô hình tên lửa điều khiển bằng khí động và động 24 cơ phản lực xung tác động kiểu mô men 4 Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của hệ tự động ổn định chuyển động 30 ngang của tên lửa với một vòng hồi tiếp theo vận tốc góc 5 Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc hệ tự động ổn định chuyển động 31 ngang của tên lửa với vòng hồi tiếp theo vận tốc góc và gia tốc pháp 6 Hình 2.5: Phản ứng của tên lửa trước đột biến lệnh đầu vào 31 7 Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc hệ tự động ổn định chuyển động 32 ngang của tên lửa khi điều khiển bằng động cơ phản lực xung 8 Hình 2.7: Sơ đồ khối dạng chuẩn tắc của hệ thống điều khiển 35 sử dụng phương pháp CDM 9 Hình 2.8: Một số dạng sơ đồ điều khiển gain-scheduling 37 10 Hình 2.9: Sơ đồ hệ ASS của tên lửa cánh lái khí động 38 sử dụng bộ điều khiển CDM 11 Hình 2.10: Đồ thị góc tấn công và góc quay cánh lái tên lửa 40 của 3 phương án khảo sát 12 Hình 2.11: Khảo sát ảnh hưởng của sự thay đổi tham số 41 13 Hình 2.12: Sơ đồ hệ ASS của tên lửa điều khiển bằng động 42 cơ phản lực dạng xung sử dụng bộ điều khiển gain- scheduling 14 Hình 2.13: Đồ thị góc tấn công tên lửa 44 15 Hình 2.14: Quá trình hình thành và duy trì góc tấn công xác 45 lập
ix 16 Hình 3.1: Mô hình kết hợp cánh lái khí động và thiết bị 48 ĐCPLX 17 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc hệ tự động ổn định trên khoang tên 55 lửa dùng điều khiển CDM-fuzzy 18 Hình 3.3: Hàm liên thuộc của các biến đầu vào bộ điều khiển 57 mờ 19 Hình 3.4: Tham số hình học của mẫu tên lửa 62 20 Hình 3.5: Quy trình tính toán và xử lý số liệu hệ số khí động 63 của tên lửa 21 Hình 3.6: Đồ thị hệ số lực nâng theo góc tấn công 64 22 Hình 3.7: Thiết lập mô hình mô phỏng khảo sát hệ ASS 65 23 Hình 3.8: Hàm liên thuộc của biến đầu vào α 65 24 Hình 3.9: Hàm liên thuộc của biến đầu vào  66 25 Hình 3.10: Đồ thị góc tấn công đầu ra khi lệnh đầu vào 67 tương ứng với góc tấn công yêu cầu là 200 26 Hình 3.11: Số lượng ĐCPLX được sử dụng khi hai kênh kết 68 hợp 27 Hình 3.12: Số lượng ĐCPLX được sử dụng khi kênh phản lực 68 hoạt động độc lập 28 Hình 3.13: Đồ thị khảo sát hệ ASS sử dụng bộ điều khiển kết 69 hợp theo cơ chế chuyển mạch nối tiếp 29 Hình 3.14: Đồ thị khảo sát hệ ASS sử dụng bộ điều khiển mờ 70 khi lệnh điều khiển tương ứng với góc tấn công yêu cầu bằng 200 30 Hình 3.15: Đồ thị khảo sát hệ ASS sử dụng bộ điều khiển mờ 71 khi lệnh điều khiển tương ứng với góc tấn công yêu cầu bằng 300 31 Hình 3.16: Sơ đồ bố trí các ĐCPLX trên thiết bị ĐCPLX 73 32 Hình 3.17: Phân bố ĐCPLX theo ma trận hàng - cột 73
x 33 Hình 3.18: Quan hệ hình học giữa các vector phản lực trên 74 các hàng 34 Hình 3.19: Thuật toán chọn kích hoạt ĐCPLX trong một chu 78 kỳ điều khiển 35 Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tên lửa tự dẫn 86 khi dẫn tỷ lệ 36 Hình 4.2: Động hình học tự dẫn 88 37 Hình 4.3:Mô hình khảo sát đánh giá hiệu quả tiêu diệt mục 91 tiêu của tên lửa 38 Hình 4.4: Độ trượt tức thời của tên lửa khi mục tiêu cơ động 92 một phía với gia tốc pháp tuyến 5g 39 Hình 4.5: Độ trượt tức thời của tên lửa khi mục tiêu cơ động 92 một phía với gia tốc pháp tuyến 7g 40 Hình 4.6: Quỹ đạo tên lửa và mục tiêu khi mục tiêu cơ động 93 kiểu “con rắn” với gia tốc pháp tuyến 15g
1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của vấn đề và mục tiêu nghiên cứu: Trong chiến tranh phòng không hiện đại, các phương tiện tấn công đường không của đối phương phát triển không ngừng về khả năng chiến thuật và khả năng kỹ thuật. Về khả năng chiến thuật, hướng phát triển của phương tiện tấn công đường không có thể khái quát như sau: - Mở rộng, tăng cường trinh sát điện tử, thu thập dữ liệu của các loại mục tiêu cần tấn công bằng mọi phương tiện hiện đại. Phân tích dữ liệu tự động để hình thành phương án tấn công bảo đảm yếu tố bí mật, bất ngờ; - Tác chiến đồng thời với cường độ cao ở mọi độ cao và cự ly bằng các loại vũ khí công nghệ cao, độ chính xác cao; - Tác chiến trong mọi điều kiện thời tiết, thời gian. Về khả năng kỹ thuật, trong những năm gần đây các phương tiện tấn công đường không phát triển nổi bật trong một số lĩnh vực: - Động lực và động lực học làm tăng vận tốc bay (1,5M3M đối với loại máy bay có người lái và trên 3M đối với loại không người lái); tăng khả năng cơ động, khả năng tạo quá tải (5g8g đối với loại có người lái và 15g20g đối với loại không người lái); - Tăng trần bay, tác chiến ở độ cao lên tới 18km20km, hoặc giảm trần bay thấp giới hạn dưới 100m; - Giảm diện tích phản xạ hiệu dụng đối với các đài radar phát hiện từ dải (0,85)m2 đối với máy bay ném bom và trinh sát, xuống dải (0,051)m2 bằng công nghệ tàng hình; - Trang bị vũ khí công nghệ cao như các loại tên lửa có điều khiển, bom
2 có điều khiển bằng radar tích cực, radar thụ động, laze, quang nhiệt kèm theo các hệ thống điều khiển hoàn toàn tự động; - Tăng cường số lượng và chủng loại vũ khí, trang bị trên khoang. Đối với vũ khí tấn công là những tên lửa chiến thuật (đặc biệt là những tên lửa mang vũ khí hạt nhân, vũ khí hoá học hay sinh học) thì cần phải tiêu diệt không những phương tiện mang, mà còn phải tiêu diệt cả phần chiến đấu của chúng ngay ở trên không. Phần chiến đấu của những mục tiêu như trên nếu không bị phá hủy trên không thì vẫn tiếp tục chuyển động theo quỹ đạo xuống đất và gây thiệt hại cho mục tiêu cần bảo vệ. Để tiêu diệt được phần chiến đấu của những mục tiêu này đòi hỏi phải đảm bảo sao cho tên lửa phòng không (TLPK) có thể tiêu diệt mục tiêu bằng phương pháp chạm nổ (hit-to-kill). Khả năng cơ động cao là một trong những yếu tố quyết định đến độ chính xác dẫn cần thiết cho TLPK tự dẫn tại phần cuối quỹ đạo bay. Khả năng cơ động cao của tên lửa được hiện thực hoá nhờ phương pháp tạo lực và mô men điều khiển bằng động cơ phản lực, tạo ra phản lực vuông góc với trục dọc. Sự thay đổi về phương pháp tạo lực và mô men điều khiển dẫn đến hàng loạt các thay đổi thiết kế trong hệ thống điều khiển tên lửa, trong đó có sự thay đổi về thiết kế hệ thống ổn định trên khoang nhằm đáp ứng những yêu cầu và hình thành các đặc trưng mới của hệ thống. Mục tiêu của luận án nhằm giải quyết một trong những vấn đề cấp thiết đặt ra đối với loại TLPK tự dẫn thế hệ mới được trang bị thêm hệ thống tạo lực và mô men điều khiển bằng động cơ phản lực. Đó là bài toán tổng hợp hệ tự động ổn định trên khoang (ASS) của tên lửa điều khiển kết hợp giữa cánh lái khí động và động cơ phản lực. Luận án cũng xác định sử dụng những chỉ tiêu chất lượng của hệ ASS nói riêng và toàn bộ vòng điều khiển tự dẫn nói
3 chung để nghiên cứu đánh giá khả năng nâng cao hiệu quả tiêu diệt mục tiêu của tên lửa được trang bị phương pháp tạo lực và mô men điều khiển mới. Thực hiện nội dung luận án này sẽ góp phần bổ sung các nghiên cứu về lý thuyết, thông qua mô phỏng trên máy tính làm sáng tỏ bản chất, đặc tính kỹ thuật mới của một số loại tên lửa hiện đại đã và sẽ được sử dụng trong quân đội ta. Kết quả nghiên cứu sẽ tạo cơ sở khoa học cho việc thiết kế mới hoặc cải tiến nâng cao hiệu quả tiêu diệt mục tiêu của tên lửa hiện có trong quân đội, đồng thời góp phần khai thác sử dụng hiệu quả và làm chủ vũ khí khí tài quân sự hiện đại. Đối tượng nghiên cứu của luận án: Đối tượng nghiên cứu của luận án giới hạn ở lớp TLPK tầm trung điều khiển từ xa kết hợp tự dẫn sử dụng kết hợp phương pháp tạo lực bằng khí động và động cơ phản lực dạng xung tác động kiểu mô men. Những loại TLPK tầm trung hiện đại hầu hết được điều khiển từ xa kết hợp với tự dẫn hoặc hoàn toàn tự dẫn, đáp ứng yêu cầu chiến thuật và đối phó hiệu quả với các phương tiện tập kích đường không hiện đại của đối phương. Hơn nữa, hiện tại và tương lai của kế hoạch mua sắm các tổ hợp TLPK thế hệ mới cũng sẽ hướng tới các tổ hợp cơ động, đa kênh với TLPK điều khiển tự dẫn khi tiếp cận mục tiêu như đạn 9M96E của tổ hợp S-300PMU2 hoặc tên lửa PAC-3 trong hệ thống phòng không Patriot. Các tổ hợp tên lửa thế hệ mới này được trang bị tên lửa với phương pháp tạo lực và mô men điều khiển bằng phản lực trong giai đoạn tự dẫn để nâng cao độ chính xác tiêu diệt mục tiêu. Phạm vi nghiên cứu: Luận án giới hạn trong những nghiên cứu tìm lời giải cho bài toán tổng hợp hệ thống tự động ổn định trên khoang tên lửa với cả hai phương pháp tạo lực – mômen điều khiển là khí động và phản lực (hay còn gọi là phương pháp
4 kết hợp). Trên cơ sở của phương pháp thiết kế hệ ASS đã nhận được, luận án đi sâu lựa chọn quy luật kết hợp hai phương pháp tạo lực – mômen, bảo đảm tính cơ động cao cho tên lửa theo yêu cầu và sự tối ưu sử dụng năng lượng của thiết bị động cơ phản lực. Kiểm chứng cho hiệu quả tổng hợp hệ điều khiển ASS, hệ sẽ được ghép vào vòng điều khiển kín tự dẫn để khảo sát các đặc trưng động học, đánh giá độ chính xác khi tiếp cận mục tiêu. Thông qua các kết quả thử nghiệm và đặc trưng thống kê, luận án sẽ rút ra kết luận quan trọng về xác suất tiêu diệt mục tiêu của đối tượng nghiên cứu, đó cũng là ý nghĩa thực tế của đề tài. Một số giới hạn khi nghiên cứu: TLPK thông thường có sơ đồ khí động với hệ cánh nâng, cánh ổn định và cánh lái đối xứng qua trục kiểu chữ thập (+) hay dấu nhân (×). Các cặp cánh nâng và cánh lái có thể được bố trí tương ứng trong cùng một mặt phẳng hay lệch nhau một góc 45o. Từ cách đặt vấn đề là tên lửa có hệ cánh đối xứng qua trục, có thể suy ra sự đối xứng của các lực và mô men khi chiếu chúng lên các trục OY1 và OZ1 của hệ tọa độ liên kết. Kết quả mô tả toán học các chuyển động của tên lửa trong các mặt phẳng điều khiển sẽ cơ bản giống nhau. Luận án cũng sử dụng thêm điều kiện là xem xét các phương trình chuyển động khi tên lửa bị lệch khỏi quỹ đạo động của phương pháp dẫn. Điều đó cho phép không cần xét tác động thường xuyên của lực trọng trường. Luận án cũng coi tên lửa đã được ổn định quanh trục dọc (rãnh liệng) và tên lửa không có dao động uốn thân. Xuất phát từ những giới hạn trên đây, luận án tập trung giải quyết bài toán thiết kế hệ tự động ổn định trên khoang tên lửa trong mặt phẳng thẳng đứng (rãnh gật) và quá trình điều khiển chỉ xét trong giai đoạn tự dẫn đến mục
5 tiêu, là giai đoạn thể hiện tính chất quyết định của phương pháp tạo lực – mô men điều khiển đối với hiệu quả bắn. Nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án: Căn cứ trên những định hướng nghiên cứu cơ bản, nội dung của luận án tập trung vào những vấn đề chính sau đây: 1. Nghiên cứu, đánh giá tổng quan các công trình nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ tự động ổn định trên khoang tên lửa với phương pháp điều khiển kết hợp khí động và phản lực. Nghiên cứu cấu trúc và động học hệ ASS và hệ thống điều khiển trên khoang của tên lửa tự dẫn làm cơ sở chính để khảo sát, thử nghiệm và đánh giá chất lượng toàn bộ vòng điều khiển để có thể xác định hiệu quả chiến đấu của đối tượng. 2. Xây dựng phương pháp để tổng hợp hệ thống tự động ổn định trên khoang tên lửa bảo đảm chất lượng và các đặc trưng động học. Khảo sát, đánh giá và đề xuất luật ổn định tên lửa với phương pháp tạo lực và mô men điều khiển mới, bảo đảm chất lượng điều khiển cao; tối thiểu hóa về năng lượng, khối lượng và kích thước thiết bị. 3. Hoàn thiện thuật toán kích hoạt thiết bị ĐCPLX. 4. Khảo sát đánh giá chất lượng, hiệu quả điều khiển của TLPK trong vòng điều khiển kín tự dẫn với các dạng cơ động và điều kiện bay của mục tiêu hiện đại. Phương pháp nghiên cứu trong luận án là: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết phân tích – tổng hợp hệ thống điều khiển thiết bị bay trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại; - Phương pháp mô hình hóa hệ thống và mô phỏng trên máy tính; - Phương pháp mô phỏng thống kê để đánh giá kết quả.
6 Kết quả nghiên cứu của luận án - Đã nghiên cứu sử dụng phương pháp biểu đồ hệ số và gain-scheduling để tổng hợp bộ điều khiển cho hệ ASS của 2 mô hình tên lửa với cánh lái khí động và động cơ phản lực dạng xung. - Đã nghiên cứu hoàn thiện thuật toán kích hoạt ĐCPLX, khắc phục được các điểm hạn chế trong thuật toán đã có trong một nghiên cứu trước đây. - Đề xuất sử dụng điều khiển mờ Takagi-Sugeno trong tổng hợp bộ điều khiển cho hệ ASS của tên lửa điều khiển kết hợp khí động và ĐCPLX. Bộ điều khiển đảm bảo tính ổn định của hệ mờ thông qua việc kiểm tra điều kiện thỏa mãn hàm Lyapunov, đáp ứng về chỉ tiêu chất lượng của hệ ASS. Bộ điều khiển có cấu trúc đơn giản, được thiết kế dạng rời rạc, phù hợp với xu hướng sử dụng máy tính số trên khoang và có khả năng áp dụng vào thực tế. - Đề xuất cơ chế sử dụng kết hợp hoạt động của kênh điều khiển ĐCPLX và kênh điều khiển khí động trong bộ điều khiển mờ. Cơ chế kết hợp này đã cho phép giảm thiểu số lượng ĐCPLX cần sử dụng trong quá trình điều khiển, cho phép giảm tối đa các tham số kích thước, khối lượng và năng lượng của thiết bị ĐCPLX. - Đã khảo sát đánh giá độ chính xác dẫn của tên lửa điều khiển kết hợp ĐCPLX và khí động so với tên lửa khí động với số lượng mẫu thử nghiệm đủ lớn để có thể xác định được xác suất tiêu diệt mục tiêu bằng một quả đạn. Đây cũng là chỉ tiêu định lượng tổng quát cuối cùng để kết luận về kết quả nghiên cứu trong luận án. Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được đăng trên 5 bài báo của các tạp chí chuyên ngành, trong đó có 2 bài báo đăng tại Liên bang Nga. Luận án cũng đã có 4 báo cáo tại các Hội nghị khoa học, trong đó có 2 báo cáo khoa học tại 2 hội nghị quốc tế.
7 Bố cục của luận án Ngoài phần Mở đầu và Kết luận chung, nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương, gồm: Chương 1: Tổng quan về vấn đề tổng hợp hệ thống tự động ổn định trên khoang tên lửa điều khiển kết hợp. Qua phân tích đánh giá tổng quan các công trình nghiên cứu trong nước và nước ngoài, luận án đã chỉ ra rằng, đồng thời với việc đáp ứng các yêu cầu chung của hệ ASS của tên lửa, các nghiên cứu hệ ASS của tên lửa điều khiển kết hợp còn giải quyết các vấn đề sau. Thứ nhất là giải quyết cơ chế sử dụng kết hợp phương pháp tạo lực – mô men để khai thác tối đa ưu điểm và hạn chế các nhược điểm của mỗi phương pháp. Thứ hai là nghiên cứu giảm thiểu năng lượng điều khiển của thiết bị ĐCPLX trong khi vẫn bảo đảm yêu cầu tính cơ động cao của tên lửa. Các công cụ điều khiển phi tuyến được nghiên cứu áp dụng để tổng hợp bộ điều khiển cho hệ ASS cũng được trình bày một cách khái quát trong chương này. Chương 2: Tổng hợp hệ tự động ổn định trên khoang tên lửa điều khiển bằng cánh lái khí động và động cơ phản lực dạng xung. Chương này trình bày kết quả tổng hợp bộ điều khiển phản hồi tuyến tính sử dụng phương pháp biểu đồ hệ số (CDM) kết hợp với kỹ thuật gain- scheduling cho mô hình tên lửa điều khiển riêng biệt khí động và phản lực dạng xung. Những kết luận rút ra từ kết quả khảo sát trong chương này cho thấy sự cần thiết phải có cơ chế điều khiển kết hợp cả hai mô hình tạo lực – mô men điều khiển nhằm phát huy các ưu điểm và hạn chế nhược điểm của mỗi phương pháp tạo lực. Vấn đề này được giải quyết trong chương 3.
8 Chương 3: Tổng hợp hệ tự động ổn định trên khoang tên lửa điều khiển kết hợp. Nội dung chính của chương 3 là kết quả nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển cho hệ ASS của tên lửa điều khiển kết hợp cánh lái khí động và thiết bị động cơ phản lực xung sử dụng điều khiển mờ Takagi-Sugeno (T-S) và phương pháp biểu đồ hệ số. Hàm liên thuộc của bộ điều khiển mờ được hiệu chỉnh để đạt được yêu cầu giảm số lượng ĐCPLX trong khi vẫn bảo đảm yêu cầu tác động nhanh của tên lửa và tối thiểu hóa sai số của hệ ASS ở chế độ xác lập. Hệ ASS của tên lửa đã được khảo sát và khẳng định được những ưu điểm của việc sử dụng điều khiển mờ để giải quyết bài toán điều khiển kết hợp. Chương 4: Đánh giá hiệu quả của tên lửa phòng không sử dụng hệ tự động ổn định trên khoang kết hợp. Minh chứng cho hiệu quả của tên lửa sử dụng phương pháp điều khiển kết hợp, chương 4 trình bày kết quả khảo sát độ chính xác của tên lửa khi ghép hệ ASS đã tổng hợp trong chương 3 vào trong cấu trúc điển hình của một vòng điều khiển kín tự dẫn với mô hình đầu vào là tham số mục tiêu cơ động các dạng khác nhau. Để làm cơ sở thực hiện khảo sát đánh giá, phần đầu của chương trình bày mô hình toán học xác định hiệu quả tiêu diệt mục tiêu (xác suất tiêu diệt mục tiêu bằng 1 quả đạn) của TLPK, một số dạng cơ động đặc trưng của mục tiêu, và cấu trúc động học của vòng điều khiển tự dẫn. Phần cuối của chương là kết quả mô phỏng cho một số trường hợp cơ động khác nhau của mục tiêu, so sánh hiệu quả của tên lửa điều khiển kết hợp với tên lửa cánh lái khí động, từ đó làm nổi bật nên ưu điểm của tên lửa điều khiển kết hợp khí động và phản lực dùng điều khiển CDM-fuzzy do luận án đề xuất.